(57)【要約】【課題】書き込み時の反転磁界を低減し、書き込み電流値を低減する。【解決手段】磁気記憶装置は、第１の方向に延在された第１の書き込み配線Ｗ１と、第１の方向と異なる第２の方向に延在された第２の書き込み配線Ｗ２と、第１及び第２の書き込み配線の交点に配置され、固定層１３と記録層１５と前記固定層及び前記記録層間に挟まれた磁気抵抗層１４とを有し、記録層は第１の強磁性層１５ａと第２の強磁性層１５ｃと第１及び第２の強磁性層間に挟まれた第１の非磁性層１５ｂとを含み、第１の強磁性層の第１の磁化と第２の強磁性層の第２の磁化とは強磁性結合し、強磁性結合のフェロ結合定数は０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上かつ０．２ｅｒｇ／ｃｍ２以下に設定され、第１及び第２の方向に対して斜め方向を向く磁化容易軸を有する磁気抵抗素子１０とを具備する。【選択図】      図２
2006237329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在された第１の書き込み配線と、
前記第１の方向と異なる第２の方向に延在された第２の書き込み配線と、
前記第１及び第２の書き込み配線の交点に配置され、固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層間に挟まれた磁気抵抗層とを有し、前記記録層は第１の強磁性層と第２の強磁性層と前記第１及び第２の強磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含み、前記第１の強磁性層の第１の磁化と前記第２の強磁性層の第２の磁化とは強磁性結合し、前記強磁性結合のフェロ結合定数は０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上かつ０．２ｅｒｇ／ｃｍ２以下に設定され、前記第１及び第２の方向に対して斜め方向を向く磁化容易軸を有する磁気抵抗素子と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の強磁性層の異方性磁界は、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項３】
前記磁化容易軸の方向が前記第１又は第２の方向に対してなす角度θは、０＜θ≦３０度であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項４】
第１の方向に延在された第１の書き込み配線と、
前記第１の方向と異なる第２の方向に延在された第２の書き込み配線と、
前記第１及び第２の書き込み配線の交点に配置され、固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層間に挟まれた磁気抵抗層とを有し、前記記録層は第１の強磁性層と第２の強磁性層と前記第１及び第２の強磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含み、前記第１の強磁性層の第１の磁化と前記第２の強磁性層の第２の磁化とは強磁性結合し、前記強磁性結合のフェロ結合定数は０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上かつ０．２ｅｒｇ／ｃｍ２以下に設定され、前記第１及び第２の方向に対して斜め方向を向く磁化容易軸を有する磁気抵抗素子と
を備え、
前記第１及び第２の書き込み配線に第１及び第２の電流をそれぞれ流し、前記磁気抵抗素子に前記第１及び第２の電流による磁場を印加することにより、前記第１の磁化と前記第２の磁化とを反対方向に回転させて前記第１及び第２の磁化を反転させる
ことを特徴とする磁気記憶装置の書き込み方法。
【請求項５】
前記第１の書き込み配線のみに前記第１の電流を流した際、前記第１の方向による軸を前記第１及び第２の磁化が挟む磁化配置となることを特徴とする請求項４に記載の磁気記憶装置の書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶装置及び磁気記憶装置の書き込み方法に係り、特に、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）及びその書き込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）は、不揮発性、高速性、大容量化、低電圧駆動を併せ持つ究極のメモリとして期待され開発されている。
【０００３】
しかし、これまでの磁気ランダムアクセスメモリは、微細化により書き込み電流値が増大すること、書き込みマージンがもともと小さいために微細化により書き込みマージンがさらに小さくなることから、大容量化を図ることが非常に困難であることが分かってきている。
【０００４】
そこで、書き込みマージンを拡大するため、トグルスイッチング（Toggle Switching）を用いた磁気ランダムアクセスメモリが提案されている（例えば非特許文献１参照）。このトグルスイッチング方式は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の記録層として常にほぼアンチパラレル磁化配置を有するシンセティック記録層を用い、スピンフロップ現象を利用することで書き込みマージンを拡大するものである（図２１のＡ及びＢ）。
【０００５】
しかし、このトグルスイッチング方式によると、磁性薄膜を被覆した高効率なヨーク配線を使用しても、ＭＴＪ素子の短辺長が４００ｎｍの場合では書き込み電流値が１０ｍＡ程度倍増した。
【０００６】
微細化においては、不揮発性を確保するために、単位体積あたりの記憶エネルギーを増大させることによって、記憶セルの体積が減少することを補わなければならない。これは、ＭＴＪ素子の記録層の反転磁界の増大につながり、その結果、書込み電流値がさらに増大する。ＭＴＪ素子の短辺長が１５０ｎｍ程度の場合では、必要な書き込み電流値が配線のエレクトロマイグレーションの限界を超える程であるため、さらなる微細化にはブレークスルーが必要とされている。例えば、反転磁界のばらつき等が大幅に低減し、書き込み電流値を仮に４ｍＡに低減できたとしても、書き込み配線幅がＭＴＪ素子の微細化に伴い１４０ｎｍ程度に縮小された場合、電流密度は１０７Ａ／ｃｍ２程度となる。これはＣｕ配線のマイグレーション耐性である１０６Ａ／ｃｍ２を超え、仮にパルス駆動したとしても許容値限定に達する（通常の配線プロセスではアスペクト比は最大２程度であるため、配線の厚さを２８０ｎｍで見積もった）。一般に、ＭＴＪ素子の短辺長は書き込み配線幅と同程度に設定するので、ＭＴＪ素子の短辺長の幅も１４０ｎｍ程度が限界となる。
【０００７】
以上のように、従来の磁気ランダムアクセスメモリでは、高集積化のために、不揮発性を保ち、ＭＴＪ素子の記録層の反転磁界を低減し、書き込み電流値を低減することが最大の課題であった。
【非特許文献１】M.Durlam, et al M,. IEDM Tech.Dig., pp995-997, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、書き込み時の反転磁界を低減し、書き込み電流値を低減することが可能な磁気記憶装置及び磁気記憶装置の書き込み方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の視点による磁気記憶装置は、第１の方向に延在された第１の書き込み配線と、前記第１の方向と異なる第２の方向に延在された第２の書き込み配線と、前記第１及び第２の書き込み配線の交点に配置され、固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層間に挟まれた磁気抵抗層とを有し、前記記録層は第１の強磁性層と第２の強磁性層と前記第１及び第２の強磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含み、前記第１の強磁性層の第１の磁化と前記第２の強磁性層の第２の磁化とは強磁性結合し、前記強磁性結合のフェロ結合定数は０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上かつ０．２ｅｒｇ／ｃｍ２以下に設定され、前記第１及び第２の方向に対して斜め方向を向く磁化容易軸を有する磁気抵抗素子とを具備する。
【００１０】
本発明の第２の視点による磁気記憶装置の書き込み方法は、第１の方向に延在された第１の書き込み配線と、前記第１の方向と異なる第２の方向に延在された第２の書き込み配線と、前記第１及び第２の書き込み配線の交点に配置され、固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層間に挟まれた磁気抵抗層とを有し、前記記録層は第１の強磁性層と第２の強磁性層と前記第１及び第２の強磁性層間に挟まれた第１の非磁性層とを含み、前記第１の強磁性層の第１の磁化と前記第２の強磁性層の第２の磁化とは強磁性結合し、前記強磁性結合のフェロ結合定数は０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上かつ０．２ｅｒｇ／ｃｍ２以下に設定され、前記第１及び第２の方向に対して斜め方向を向く磁化容易軸を有する磁気抵抗素子とを備え、前記第１及び第２の書き込み配線に第１及び第２の電流をそれぞれ流し、前記磁気抵抗素子に前記第１及び第２の電流による磁場を印加することにより、前記第１の磁化と前記第２の磁化とを反対方向に回転させて前記第１及び第２の磁化を反転させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、書き込み時の反転磁界を低減し、書き込み電流値を低減することが可能な磁気記憶装置及び磁気記憶装置の書き込み方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１３】
［１］基本構成の概要
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）のセルの基本構成の概略的な一部平面図を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのセルの基本構成の概略的な一部断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの基本構成の概要について説明する。
【００１４】
図１に示すように、第１の書き込み配線（例えばワード線）Ｗ１がｘ軸方向に延在され、第２の書き込み配線（例えばビット線）Ｗ２がｙ軸方向（例えばｘ軸方向に対して垂直方向）に延在され、これら第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の交点の第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２間に磁気抵抗素子であるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子１０が配置されている。そして、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向は、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の延在方向（ｘ軸方向，ｙ軸方向）に対して斜めとなる。
【００１５】
図２に示すように、ＭＴＪ素子１０は、シード電極層１１、磁化固着層１２、磁化固定層１３、トンネルバリア層１４、記録層１５、キャップ層１６を含んで構成される。
【００１６】
ここで、記録層１５は、第１の強磁性層１５ａと、第２の強磁性層１５ｃと、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃ間に挟まれた非磁性層１５ｂとを有する。そして、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化は、非磁性層１５ｂを介して、弱い強磁性結合（フェロ結合）をしている。従って、印加磁界がゼロの状態（無選択状態）では、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化方向はほぼ平行方向（同じ方向）である。このように、記録層１５は、印加磁界がゼロの状態でパラレル磁化配置となるシンセティック構造となっている。
【００１７】
そして、書き込み時、印加磁界に対する第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化が互いに反対方向に回転して磁化反転するように、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を互いに異ならせ、所定の書き込み電流を流して書き込みシーケンスを実行する。
【００１８】
以上のような基本構成の詳細について、以下に具体的に説明する。
【００１９】
［２］書き込み方法
［２−１］書き込みシーケンス
図３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法を示す。以下に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの概略的な書き込みシーケンスについて説明する。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、初期状態は、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の両方に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２が流れていない印加磁界がゼロの状態である。この場合、記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化は、互いに右向きに平行方向である。この状態を「右パラレル磁化配置」と称す。
【００２１】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１サイクルでは、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２のうち一方の書き込み配線Ｗ１に書き込み電流Ｉ１を流す（オンにする）。これにより、書き込み電流Ｉ１により発生した印加磁界Ｈｙが記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化に作用する。この際、書き込み電流Ｉ１の電流値を適切に設定することで、記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化がオンにした第１の書き込み配線Ｗ１（ｘ軸）を挟むようになる。この状態を「シザーズ磁化配置」と称す。
【００２２】
次に、図３（ｃ）に示すように、第２サイクルでは、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２のうち他方の書き込み配線Ｗ２にも書き込み電流Ｉ２を流す（オンにする）。これにより、書き込み電流Ｉ１，Ｉ２によりそれぞれ発生した印加磁界Ｈｙ，Ｈｘによる合成磁界が記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化に作用する。その結果、第１の強磁性層１５ａの磁化は時計回りに回転し、第２の強磁性層１５ｃの磁化は反時計回りに回転する。このように、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化は、互いに反対方向に回転し、ほぼ反平行となる（反対方向を向く）。この状態を「アンチパラレル磁化配置」と称す。
【００２３】
そして、図３（ｄ）に示すように、第３サイクルでは、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流すのを止める。これにより、記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化は、強磁性結合による作用によって安定な状態（平行状態）に戻ろうとする。その結果、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化は、互いに平行方向で、かつ初期状態とは反対の左向きとなる。この状態を「左パラレル磁化配置」と称す。
【００２４】
以上のような書き込みシーケンスにより、記録層１５の磁化を右パラレル磁化配置から左パラレル磁化配置に反転させることができる。ここで、右パラレル磁化配置及び左パラレル磁化配置をそれぞれ“１”，“０”データと規定することで、２値のデータの書き込みが可能となる。以降、このようなシーケンスの書き込み方法を、アンチパラレルスウィッチングと呼ぶ（図２１のＣ）。
【００２５】
尚、上述する書き込み方法では、選択セルのデータは、“１”→“０”→“１”→“０”と順に状態が遷移する。換言すると、書き込みにより、ＭＴＪ素子１０の記録層（固定層側に面した側の強磁性層）と固定層（固定層が非磁性層に分断された複数の強磁性層からなっていた場合、記録層側に面した側の強磁性層）の相対的な磁化方向が、平行状態のときは反平行状態に変化し、反平行状態のときは平行状態に変化する。従って、任意のデータを書き込む前に、選択セルに書き込まれているデータをまず読み出す必要がある。その結果、任意のデータが既に書き込まれていた場合は書き込みを行わず、任意のデータと異なるデータが書き込まれていた場合はデータを書き換えるために書き込みを行う。
【００２６】
［２−２］アンチパラレルスウィッチングによる効果
上述するアンチパラレルスウィッチングでは、磁化反転過程において、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化がアンチパラレル状態となり（図３（ｃ））、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化が打ち消し合うので、静磁エネルギーが増大しない。よって、反転磁界を非常に小さくできる。但し、このアンチパラレルスウィチングを実現するには、適切に磁界を印加することが要求される。
【００２７】
通常、熱エネルギー等のランダムな励起ではフェロ結合をしている第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化はパラレル状態のまま応答するため、不揮発性の指標となる記憶エネルギーはパラレル状態を保ったままの反転に必要なエネルギーである。このパラレル状態での磁化反転過程では、大きな静磁エネルギーが発生するため、非常に大きな記憶エネルギーとなる。すなわち、上述するアンチパラレルスウィッチングによれば、記憶エネルギーを大きく保持し、かつ小さな反転磁界を提供できる。
【００２８】
アンチパラレルスウィッチングがこのような利点を有することは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）分野等で知られている。ＨＤＤでは、書き込みヘッドを書き込みたい場所に近づけてその部分のみ書き換えることができるので、何の工夫もなくアンチパラレルスウィッチングを利用できるからである。
【００２９】
しかし、磁気ランダムアクセスメモリで単純に利用しようとすると、オンにしたビット線とワード線の交点の選択セルもオンにした一方のみの配線上の半選択セルも同様な磁化過程となる。このため、特性がばらついた場合に誤書き込み等の問題を回避することが困難であった。よって、アンチパラレルスウィッチングは、磁気ランダムアクセスメモリに適用できないと考えられていた（“Magnetic diagram of two identical coupled nanomagnets“, Applied Physics Letters, D.C.Worledge et al, Volume85, No.15, 12 April, 2004）。
【００３０】
上述する本発明の一実施形態に係る書き込み方法は、オンとなった第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の交点の選択セルのみの反転磁界を小さくし、一方のみの書き込み配線Ｗ１又はＷ２上の半選択セルは反転磁界の減少が小さくなること、すなわち選択セルと半選択セルの磁化過程を異ならせることを可能としている。その結果、ＭＴＪ素子１０の記録層１５の反転磁界を大幅に低減することが可能となり、書き込み電流を低減できるだけでなく、誤書き込みも解消できる。
【００３１】
また、反転磁界閾値曲線（アステロイド曲線）は、後述する図４に示すように、書き込み点で原点に近くなる理想的な形となる。これにより、実際の閾値曲線が数％ばらついても十分な書き込みマージンを提供する。
【００３２】
また、さらに開発を進めた結果、半選択状態のセルでは、フェロ結合をしている第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化はパラレル状態のまま反転し、熱励起による反転を行うためには大きなエネルギーが必要であることが判明した。よって、本発明の一実施形態に係る書き込み方法は、半選択状態のセルの不揮発性も十分に確保できる。
【００３３】
また、これまで提案されている電流磁界による全ての書き込み方式は、微細化により、書き込み電流値が急増し、書き込みマージンが減少していた。これに対し、本発明の一実施形態に係る書き込み方法は、ＭＴＪ素子１０を微細化しても、アンチパラレル磁化過程ではほとんど静磁エネルギーは増加しないため、反転磁界の急激な増大がないことが明らかとなった。よって、本発明の一実施形態では、微細化に際して基本的な書き込み電流値の急激な増加要因はなく、また書き込みマージンも増大することで高集積化が実現できる。
【００３４】
また、ＭＴＪ素子１０の記録層１５は、２層以上の強磁性層で構成する。従って、記録層１５の体積が大きくなり、記憶のエネルギーも大きくできるため、微細化においても不揮発性を確保できる。
【００３５】
［２−３］アンチパラレルスウィッチングのメカニズム
図４は、本発明の一実施形態に係るアンチパラレルスウィッチングのメカニズムを説明するための図を示す。以下、アンチパラレルスウィッチングのメカニズムの詳細について説明する。
【００３６】
図４に示すように、アンチパラレル磁化反転は、ＨｓｗｘとＨｓｗｙ以上の磁界を印加することにより実現可能である。従って、ＨｓｗｘとＨｓｗｙ以下の磁界を印加した場合、又は一方のみの磁界を印加した場合では、パラレル状態での反転しか起きない。よって、選択セルと半選択セルの磁化過程を異ならせ、選択セルの選択性を向上し、誤書き込みを解消している。
【００３７】
図４のアステロイド曲線の第１象限におけるアンチパラレルスウィッチングの反転過程は、次の通りである。ｘ軸方向の磁界を最初に印加し、次にｙ軸方向の磁界を印加する場合は、同図のＡで示す反転過程をとる。逆に、ｙ軸方向の磁界を最初に印加し、次にｘ軸方向の磁界を印加する場合は、同図のＢで示す反転過程をとる。ここで、ｘ軸方向又はｙ軸方向の磁界は、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２に流す書き込み電流Ｉ１，Ｉ２によって発生させる。尚、図４では、左パラレル磁化配置から右パラレル磁化配置へ反転させる例を示したが、その逆の右パラレル磁化配置から左パラレル磁化配置へ反転させる場合は、反対方向の書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を同様のシーケンスで流せばよい。
【００３８】
以下、具体的な実施例に基づき、アンチパラレルスウィッチングのメカニズムについてさらに説明する。
【００３９】
この実施例では、例えば、ＭＴＪ素子１０の短辺長が１５０ｎｍ程度の場合における具体的なアステロイド曲線を考える。そして、記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの材料としてＮｉＦｅ合金を使用し、アスペクト比は２〜３、記録層１５の単層の厚さが３ｎｍ程度の場合、フェロ結合した第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃは、以下の式（１）及び（２）の関係を満たす。
【００４０】
Ｈｃ≒Ｈｋ≒Ｈｅｆｆｄｅｍａｇ≒４００〜６００［Ｏｅ］…（１）
Ｈｓｗｘ≒Ｈｓｗｙ≒Ｈｅｘｆｒ…（２）
ここで、Ｈｃはｘ軸方向の反転磁界、Ｈｋはｙ軸方向の反転磁界、Ｈｅｆｆｄｅｍａｇは実効的な短辺方向の反磁界、Ｈｅｘｆｒはフェロ結合磁界である。尚、Ｈｃ≒Ｈｋ≒Ｈｅｆｆｄｅｍａｇ＞２００［Ｏｅ］が望ましい。
【００４１】
理想的なアステロイド曲線とするために、Ｈｅｘｆｒ≒５０［Ｏｅ］程度となるように記録層１５の非磁性層１５ｂの材料と膜厚を設定するとよい。Ｈｓｗｘ，Ｈｓｗｙに対してＨｃ，Ｈｋは４倍程度となり、非常に広い書き込みマージンが提供できる。これにより、実際の閾値曲線が数％ばらついても十分な書き込みマージンが提供できる。
【００４２】
さらに、ＭＴＪ素子１０を微細化すると、Ｈｅｆｆｄｅｍａｇは、ＭＴＪ素子１０の短辺長に反比例して増大する。一方、Ｈｅｘｆｒは独立に設定できるので、Ｈｅｘｆｒを例えば５０［Ｏｅ］程度にすると、微細化すればするほど書き込みマージンは増大する。アンチパラレル磁化過程では静磁エネルギーはほとんど増加しないため、反転磁界の増大はない。よって、磁化反転させるための書き込み電流値も増加しないのである。一方、不揮発性のための記憶エネルギーは、図４のＨｃやＨｋに比例するが、微細化とともに増大する。よって、微細化を図っても基本的な書き込み電流値の増加要因はなく、高集積化を実現できる。
【００４３】
［２−４］書き込み方法例
図５（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る書き込み方法例１〜３を示す。以下に、書き込み方法例１〜３について説明する。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、書き込み方法例１は、上述する図３の書き込みシーケンスと同様のものである。すなわち、第１サイクルで、第１の書き込み配線Ｗ１のみに書き込み電流Ｉ１を流し、シザーズ磁化配置とする（図３（ｂ）参照）。次に、第２サイクルで、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の両方に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流し、アンチパラレル磁化配置とする（図３（ｃ）参照）。最後に、第３サイクルで、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流すのを止める。
【００４５】
図５（ｂ）に示すように、書き込み方法例２は、書き込み方法例１のように順番に書き込み配線Ｗ１，Ｗ２をオンにしない。すなわち、第１サイクルで、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の両方を同時にオンにし、初めから両方に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流す。これにより、シザーズ磁化配置を介して、アンチパラレル磁化配置となる（図３（ｂ）及び（ｃ）参照）。そして、第２サイクルで、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流すのを止める。このように両方の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２を同時にオンにする場合も、両方の書き込み電流値を適切に設定すれば、書き込み方法例１と同様のスウィッチングを実現できる。
【００４６】
図５（ｃ）に示すように、書き込み方法例３は、いわゆるトグル書き込みと同様で、書き込み配線Ｗ１，Ｗ２を順にオンにして順にオフにする。すなわち、第１サイクルで、第１の書き込み配線Ｗ１のみに書き込み電流Ｉ１を流し、第２サイクルで、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の両方に書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流す。次に、第３サイクルで、先にオンした第１の書き込み配線Ｗ１をオフにし、書き込み電流Ｉ１を流すのを止める。そして、第４サイクルで、後にオンした第２の書き込み配線Ｗ２をオフにし、書き込み電流Ｉ２を流すのを止める。
【００４７】
［３］弱いフェロ結合
上述する書き込み方法では、磁化反転過程においてアンチパラレル磁化配置をとるように、記録層１５の第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃの層間結合は弱めのフェロ結合であることが望ましい。従って、フェロ結合定数は、０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上で０．２ｅｒｇ／ｃｍ２以下であることが望ましい。これは、次の理由からである。０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２未満の場合は、半選択時にもアンチパラレル磁化反転を起こす場合が観測された。一方、０．２ｅｒｇ／ｃｍ２を超える場合は、半選択時のシザーズ磁化配置の間の角度が非常に小さくなり、その後に続く選択時にパラレル状態での磁化反転が起きる場合が観測された。尚、このような範囲のフェロ結合定数となるように、例えば非磁性層１５ｂの膜厚等を設定するとよい。
【００４８】
［４］フェロ結合強磁性層の異方性磁界を異ならせる手段
図６は、本発明の一実施形態に係る記録層におけるフェロ結合した２つの強磁性層の異方性磁界を異ならせる手段の例を示す。以下、フェロ結合した２つの強磁性層の実効的な異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を互いに異ならせるための３つの例について説明する。
【００４９】
（ケース１）
ケース１は、フェロ結合した２つの強磁性層１５ａ，１５ｃの本質的な磁気異方性による異方性磁界Ｈｋｉｎｔ１，Ｈｋｉｎｔ２を互いに異ならせた例である。例えば、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅからなる記録層１５を用いた場合、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの異方性定数（誘導磁気異方性定数）を１×１０５ｄｙｎ／ｃｍ３と１×１０４ｄｙｎ／ｃｍ３にする。これにより、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの異方性磁界をＨｋｉｎｔ１≒２０［Ｏｅ］程度とＨｋｉｎｔ２≒５［Ｏｅ］程度にする。
【００５０】
（ケース２）
ケース２は、フェロ結合した２つの強磁性層１５ａ，１５ｃの飽和磁化定数Ｍ１，Ｍ２を互いに異ならせた例である。例えば、Ｎｉ６０Ｆｅ４０／Ｃｕ／Ｎｉ８０Ｆｅ２０（数字は原子濃度比の％表示）からなる記録層１５を用い、ＭＴＪ素子１０の短辺長は１４０ｎｍ程度で、強磁性層１５ａ，１５ｃの各膜厚ｔ１，ｔ２は２ｎｍ程度の場合、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの飽和磁化定数を４πＭ１≒１４０００Ｇａｕｓｓと４πＭ２≒９５００Ｇａｕｓｓ程度にする。これにより、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を１００〜２００［Ｏｅ］程度と５０〜１００［Ｏｅ］程度にする。
【００５１】
（ケース３）
ケース３は、フェロ結合した２つの強磁性層１５ａ，１５ｃの膜厚ｔ１，ｔ２を互いに異ならせた例である。例えば、ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅからなる記録層１５を用い、ＭＴＪ素子１０の短辺長は１４０ｎｍ程度で、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの飽和磁化（４πＭ１，４πＭ２）は９５００Ｇａｕｓｓ程度の場合、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの膜厚をｔ１≒３ｎｍとｔ２≒１．５ｎｍ程度にする。これにより、強磁性層１５ａ，１５ｃのそれぞれの異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を１００〜２００［Ｏｅ］程度と５０〜１００［Ｏｅ］程度にする。尚、フェロ結合した２つの強磁性層１５ａ，１５ｃの膜厚ｔ１，ｔ２は、２倍程度異なる厚さにするのが望ましい。
【００５２】
上述するケース１〜３によれば、強磁性層１５ａ，１５ｃの実効的な異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を互いに異ならせることができる。このため、適切な書き込み電流値を設定することにより、一方の書き込み配線による磁界印加の際、図６に示すように、ｘ軸を挟んだシザーズ磁化配置とすることができる。
【００５３】
尚、強磁性層１５ａ，１５ｃの材料を互いに異ならせたり、形状を異ならせたりすることで、異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２を互いに異ならせてもよい。
【００５４】
［５］ＭＴＪ素子の斜め配置
［５−１］斜め配置の角度
図７は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の角度θを説明するための図を示す。以下、ＭＴＪ素子の斜め配置の角度について説明する。
【００５５】
図７に示すように、印加磁場がゼロの状態におけるＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向は、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の延在方向（ｘ軸方向，ｙ軸方向）に対して斜めとなる。ここでは、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向と第１の書き込み配線Ｗ１の延在方向（ｘ軸方向）とのなす角度をθと規定し、この角度θの例について以下に説明する。尚、角度θは、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向と第２の書き込み配線Ｗ２の延在方向（ｙ軸方向）とのなす角度であっても勿論よい。
【００５６】
（第１の角度例）
第１の角度例は、０＜θ≦３０度と規定することで、書き込み電流値をさらに低減するものである。
【００５７】
図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の第１の角度例による効果を説明するための図である。
【００５８】
図８（ａ）に示すように、第１の角度例では、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向と第１の書き込み配線Ｗ１の延在方向（ｘ軸方向）とのなす角度θを０度より大きくかつ３０度以下（０＜θ≦３０度）にする。ここで、θを３０度以下とするのは、θが３０度を超えると、書き込みドライバーが急激に大きくなり、コスト高になるからである。
【００５９】
この場合、図８（ｂ）に示すように、最初にオンにする書き込み配線の書き込み電流値（磁界換算ではＨｓｗｘ’又はＨｓｗｙ’）を半減できるだけでなく、次にオンにするもう一方の書き込み配線の書き込み電流値（磁界換算ではＨｓｗｙ’又はＨｓｗｘ’）も半減できる。例えば、θを３０度以下とすることで、実用的な書き込み電流値７ｍＡとすることができる。また、磁気特性のばらつきにも対応可能となり、角度θが３０度を境に書き込めないセルを解消できる。
【００６０】
（第２の角度例）
第２の角度例は、５≦θ≦３０と規定することで、アステロイド曲線のばらつきに対して書き込みマージンの最適化を図るものである。
【００６１】
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の第２の角度例による効果を説明するための図である。
【００６２】
図９（ａ）に示すように、第２の角度例では、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向と第１の書き込み配線Ｗ１の延在方向（ｘ軸方向）とのなす角度θを５度以上かつ３０度以下（５≦θ≦３０度）にする。ここで、θを５度以上とするのは、θが５度未満の場合、半選択時（同図でＨｘのみ印加された半選択時）にアンチパラレル磁化反転するものが観測されたからである。
【００６３】
この場合、図９（ｂ）に示すように、アステロイド曲線の典型的な３％程度のばらつきに対しても対応可能となり、書き込みマージンを確保できる。すなわち、磁界換算では反転磁界がＨｓｗｘ”とＨｓｗｙ”になり、アステロイド曲線がｘ軸及びｙ軸から適切な距離Ｄ１，Ｄ２だけ離すことができる。
【００６４】
（第３の角度例）
第３の角度例は、θ≦１０度と規定することで、理想的なアステロイド曲線を実現するものである。このようにθ≦１０度とすることで、３ｍＡ程度の小さな書き込み電流値でかつ第一象限のほぼ中心にアステロイド曲線をもってくることができる。
【００６５】
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の第３の角度例を説明するための図である。図１１（ａ）乃至（ｄ）は、図１２の第３の角度例における書き込み動作時の印加磁界と角度の関係を示す。
【００６６】
図１０（ａ）に示すように、第３の角度例では、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向と第１の書き込み配線Ｗ１の延在方向（ｘ軸方向）とのなす角度θを１０度以下（θ≦１０度）にする。尚、第３の角度例における角度θの下限値としては、０＜θでも５≦θでもよい。
【００６７】
この第３の角度例における書き込み動作は次のようになる。ここで、記録層１５の実効的な異方性定数を１×１０５ｄｙｎ／ｃｍ３、１．７×１０４ｄｙｎ／ｃｍ３（異方性磁界換算でＨｋｉｎｔ１≒１００［Ｏｅ］，Ｈｋｉｎｔ２≒１７［Ｏｅ］）、４πＭ１≒４πＭ２≒１０７００Ｇａｕｓｓ、ｔ１≒ｔ２≒３ｎｍ、θ１≒θ２≒１０度とする。
【００６８】
まず、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の一方の第１の書き込み配線Ｗ１のみに書き込み電流Ｉ１を流し、ｙ軸のマイナス方向に磁界Ｈｙを印加する。このときの記録層１５の応答を図１１（ａ）に示す。
【００６９】
図１１（ａ）に示すように、磁界印加なしではともにθ１＝θ２＝１０度の方向をとる（図１１（ｂ）参照）。そして、磁界印加とともにシザーズ磁化配置に近づき、１０［Ｏｅ］の磁界印加によりｘ軸を挟んだシザーズ磁化配置になり始める（図１１（ｃ）参照）。この状態は磁界１３０〜１４０［Ｏｅ］程度まで維持できる（図１１（ｄ）参照）。この状態で、マイナスｘ方向に磁界Ｈｘを印加すると約２０［Ｏｅ］程度で磁化反転する。このような場合のアステロイド曲線は、図１０（ｂ）に示すような理想的な曲線となる。
【００７０】
［５−２］斜め配置の手段
図１２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の手段を示す。以下に、ＭＴＪ素子を斜めに配置するための手段について説明する。
【００７１】
図１２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、第１の書き込み配線Ｗ１がｘ軸方向に延在され、第２の書き込み配線Ｗ２がｙ軸方向に延在され、これら第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の交点の第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２間にＭＴＪ素子１０が配置されている。そして、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸の方向は、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の延在方向（ｘ軸方向，ｙ軸方向）に対して斜めとなる。
【００７２】
ここで、図１２（ａ）は、ＭＴＪ素子１０自体を斜めに配置させた例である。すなわち、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸方向となる長辺を、第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の延在方向（ｘ軸方向，ｙ軸方向）に対して斜めにしている。
【００７３】
図１２（ｂ）は、ＭＴＪ素子１０の形状異方性を利用して磁化容易軸を斜め方向に付与した例である。すなわち、ＭＴＪ素子１０の平面形状を、一方の対角線ｄ１が他方の対角線ｄ２よりも長い平行四辺形とすることで、長い対角線ｄ１の方向に磁化容易軸が付与されている。これにより、図１２（ａ）と同様にＭＴＪ素子１０の磁化容易軸を斜めにすることができる。
【００７４】
図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）と同様にＭＴＪ素子１０の形状異方性を利用して磁化容易軸を斜め方向に付与した例であり、さらに、平行四辺形の側面から突出する突出部を備えた、いわゆる十字形状である。
【００７５】
［６］ＭＴＪ素子の記録層の積層例
図１３は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の記録層の積層例を示す。以下に、ＭＴＪ素子の記録層の積層例について説明する。
【００７６】
図１３に示すように、ＭＴＪ素子１０の記録層１５は、第１の強磁性層１５ａ／第１の非磁性層１５ｂ／第２の強磁性層１５ｃ／第２の非磁性層１５ｄ／第３の強磁性層１５ｅ／第３の非磁性層１５ｆ／第４の強磁性層１５ｇで構成される。すなわち、本例の記録層１５は、４つの強磁性層１５ａ，１５ｃ，１５ｅ，１５ｇを有する。ここで、記録層１５の各層は、例えば、ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ等からなる。
【００７７】
そして、第１及び第２の強磁性層１５ａ，１５ｃは強いフェリ結合をしており、第２及び第３の強磁性層１５ｃ，１５ｅは弱いフェロ結合をしており、第３及び第４の強磁性層１５ｅ，１５ｇは強いフェリ結合をしている。ここで、弱いフェロ結合とは、フェロ結合定数が例えば０．０００１〜０．２ｅｒｇ／ｃｍ２程度であり、強いフェリ結合とは、フェリ結合定数が例えば０．４ｅｒｇ／ｃｍ２程度以上である。
【００７８】
上記のようにＭＴＪ素子１０の記録層１５を積層構造にすることで、記録層１５の体積の増加により記録層１５の記憶エネルギーをさらに向上できるため、さらなる微細化を図ることができる。
【００７９】
［７］ＭＴＪ素子の磁化固定層の積層例
図１４は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の磁化固定層の積層例を示す。以下に、ＭＴＪ素子の磁化固定層の積層例について説明する。
【００８０】
磁化固定層１３は、図２のような単層で形成されてもよいが、複数層で形成されてもよい。例えば、図１４に示すように、磁化固定層１３は、第１の強磁性層１３ａと、第２の強磁性層１３ｃと、第１及び第２の強磁性層１３ａ，１３ｃ間に挟まれた非磁性層１３ｂとで形成されてもよい。そして、第１及び第２の強磁性層１３ａ，１３ｃは、非磁性層１３ｂを介して、反強磁性結合をしている。従って、印加磁界がゼロの状態では、第１及び第２の強磁性層１３ａ，１３ｃの磁化方向はほぼ反平行である。このように、固定層１３は、印加磁界がゼロの状態でアンチパラレル磁化配置となるシンセティック構造となっていてもよい。尚、第１及び第２の強磁性層１３ａ，１３ｃは、強磁性結合をしていてもよい。
【００８１】
［８］ＭＴＪ素子の平面形状
図１５（ａ）乃至（ｉ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の平面形状の例を示す。以下に、ＭＴＪ素子の平面形状の例について説明する。
【００８２】
図１５（ａ）乃至（ｉ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の平面形状は、正方形、長方形、六角形、楕円、菱型、平行四辺形、円、十字型、ビーンズ型（凹型）等種々変更可能である。尚、図示する形状の角張った部分は、丸まっていても勿論よい。
【００８３】
［９］ＭＴＪ素子の断面形状
図１６（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の断面形状の例を示す。以下に、ＭＴＪ素子の断面形状の例について説明する。
【００８４】
図１６（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の全ての層が同時に加工され、全ての層の側面が一致していてもよい。
【００８５】
図１６（ｂ）に示すように、記録層１５及びキャップ層１６の膜面水平方向のサイズが、シード電極層１１、磁化固着層１２、磁化固定層１３及びトンネルバリア層１４の膜面水平方向のサイズよりも小さく、ＭＴＪ素子１０の断面形状が凸型になっていてもよい。ここで、記録層１５及びキャップ層１６の幅はＷに加工され、この幅Ｗが上述するＭＴＪ素子１０の短辺長となる。ＭＴＪ素子１０の長辺は紙面奥行き方向に伸びており、ＭＴＪ素子１０の長辺長は、幅Ｗの約２〜３倍となる。
【００８６】
図１６（ｃ）に示すように、シード電極層１１、磁化固着層１２、磁化固定層１３及びトンネルバリア層１４は長方形状にし、図１２（ｂ）のように磁化容易軸を斜め方向に付与するために記録層１５及びキャップ層１６は平行四辺形等にしてもよい。
【００８７】
［１０］材料
ＭＴＪ素子１０は、シード電極層１１、磁化固着層１２、第１の強磁性層１３ａ／非磁性層１３ｂ／第２の強磁性層１３ｃからなる磁化固定層１３、トンネルバリア層１４、第１の強磁性層１５ａ／非磁性層１５ｂ／第２の強磁性層１５ｃからなる記録層１５、キャップ層１６を含んで構成される。このようなＭＴＪ素子１０の各層及び書き込み配線Ｗ１，Ｗ２は、以下のような材料で形成されている。
【００８８】
記録層１５の第１の強磁性層１５ａ／非磁性層１５ｂ／第２の強磁性層１５ｂの材料としては、例えば、ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ等が用いられる。
【００８９】
キャップ層１６の材料としては、記録層１５との相互拡散のないＴａＮ等の導電材料を用いるのが望ましい。
【００９０】
トンネルバリア層１４の材料としては、ＡｌＯｘ（例えばＡｌ２Ｏ３），ＭｇＯｘ，ＳｉＯ２，ＡｌＮ，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＳｒＴｉＯ２，ＡｌＬａＯ３等の様々な誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していてもかまわない。あるいは、層１４は、トンネルバリアではなくとも導電性金属、反金属、半導体などの磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗層であればよい。
【００９１】
磁化固定層１３の第１の強磁性層１３ａ／非磁性層１３ｂ／第２の強磁性層１３ｂの材料としては、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ等があげられる。
【００９２】
磁化固着層１２の材料としては、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ等があげられる。
【００９３】
シード電極層１１の材料としては、抵抗値低減と磁化固着層の結晶成長を促進するために、Ｔａ，ＮｉＦｅＣｒ等、又はそれらの積層膜を用いるとよい。
【００９４】
第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の材料としては、磁性体を被覆したＣｕ又はＡｌを用いるとよい。但し、エンベデッド用のメモリとしては、本実施形態による電流低減効果を最大限利用して、磁性体を被覆しない書き込み配線Ｗ１，Ｗ２を使用すると、大幅な工程削減が可能となる。
【００９５】
尚、磁化固定層１３及び記録層１５の強磁性層１３ａ，１３ｃ，１５ａ，１５ｃの材料には、次のような材料も考えられる。例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、それらの積層膜、又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２，ＲＸＭｎＯ３−Ｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金等を用いることが好ましい。また、これら磁性体には、強磁性を失わないかぎり、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ等の非磁性元素が多少含まれていてもよい。
【００９６】
［１１］磁気ランダムアクセスメモリ
ここでは、図１のセルを用いた磁気ランダムアクセスメモリにおける選択トランジスタ型、選択ダイオード型、クロスポイント型のセルについて述べる。
【００９７】
［１１−１］選択トランジスタ型
図１７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す。以下に、選択トランジスタ型におけるセル構造について説明する。
【００９８】
図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択トランジスタ型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒと、書き込みワード線（第１の書き込み配線Ｗ１）ＷＷＬと、ビット線（第２の書き込み配線Ｗ２）ＢＬとを含んで構成されている。ここで、ＭＴＪ素子１０は弱いフェロ結合した強磁性層１５ａ，１５ｃからなる記録層１５を備え、磁化容易軸は書き込みワード線ＷＷＬ及びビット線ＢＬの延在方向に対して斜めを向いている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。
【００９９】
具体的には、ＭＴＪ素子１０の一端は、ベース金属層５ｃ、コンタクト４ａ，４ｂ，４ｃ及び配線５ａ，５ｂを介して、トランジスタＴｒの電流経路の一端（ドレイン拡散層）３ａに接続されている。一方、ＭＴＪ素子１０の他端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の下方には、ＭＴＪ素子１０と電気的に分離された書き込みワード線ＷＷＬが設けられている。トランジスタＴｒの電流経路の他端（ソース拡散層）３ｂは、コンタクト４ｄ及び配線５ｄを介して、例えばグランドに接続されている。トランジスタＴｒのゲート電極２は、読み出しワード線ＲＷＬとして機能する。
【０１００】
上記のような選択トランジスタ型のメモリセルにおいて、データの書き込み／読み出しは、以下のように行われる。
【０１０１】
まず、書き込み動作は、上述するアンチパラレルスウィッチングが行われる。複数のＭＴＪ素子１０のうち選択されたＭＴＪ素子１０に対応する書き込みワード線ＷＷＬに書き込み電流Ｉ１を流すと、この書き込み電流Ｉ１によって発生した磁界がＭＴＪ素子１０に印加される。これにより、ＭＴＪ素子１０の記録層１５の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化がシザーズ磁化配置となる（図３（ｂ）参照）。次に、選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線ＢＬにも書き込み電流Ｉ２を流す。これにより、書き込み電流Ｉ１，Ｉ２によって発生した磁界の合成磁界がＭＴＪ素子１０に印加される。その結果、ＭＴＪ素子１０の記録層１５の強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化がアンチパラレル磁化配置となる（図３（ｃ）参照）。その後、書き込み電流Ｉ１，Ｉ２を流すのを止めると、記録層１５の磁化は、書き込み前と反対方向に反転した状態となる。ここで、磁化固定層１３及び記録層１５の磁化方向が平行となる状態を“１”状態、反平行となる状態を“０”状態と規定することで、２値のデータの書き込みが実現する。
【０１０２】
次に、読み出し動作は、読み出し用スイッチング素子として機能するトランジスタＴｒを利用して、次のように行われる。選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線ＢＬ及び読み出しワード線ＲＷＬを選択し、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に読み出し電流Ｉｒを流す。ここで、磁化固定層１３の磁化（磁化固定層１３が多層の場合は、記録層１５に最も近い強磁性層の磁化）と記録層１５の磁化とがほぼ平行状態（例えば“１”状態）の場合は低抵抗となり、ほぼ反平行状態（例えば“０”状態）の場合は高抵抗となる。このようなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果による抵抗値を測定し、別途設けられた参照セルの抵抗値と比較し、ＭＴＪ素子１０の“１”、“０”状態を判別する。
【０１０３】
［１１−２］選択ダイオード型
図１８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す。以下に、選択ダイオード型におけるセル構造について説明する。
【０１０４】
図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択ダイオード型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるダイオードＤと、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬとを含んで構成されている。ここで、ＭＴＪ素子１０は弱いフェロ結合した強磁性層１５ａ，１５ｃからなる記録層１５を備え、磁化容易軸はワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの延在方向に対して斜めを向いている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。
【０１０５】
ここで、ダイオードＤは、例えばＰＮ接合ダイオードであり、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とで構成されている。このダイオードＤの一端（例えばＰ型半導体層）は、ＭＴＪ素子１０に接続されている。一方、ダイオードＤの他端（例えばＮ型半導体層）は、ワード線ＷＬに接続されている。そして、図示する構造では、ビット線ＢＬからワード線ＷＬへ電流が流れるようになっている。
【０１０６】
尚、ダイオードＤの配置箇所や向きは、種々に変更することが可能である。例えば、ダイオードＤは、ワード線ＷＬからビット線ＢＬへ電流が流れる向きに配置してもよい。また、ダイオードＤは、半導体基板１内に形成することも可能である。また、ダイオードＤは、半導体層と金属層とからなるショットキー接合ダイオードにすることも可能である。
【０１０７】
上記のような選択ダイオード型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、アンチパラレルスウィッチングが行われる。
【０１０８】
一方、データの読み出し動作も、上記選択トランジスタ型とほぼ同じであるが、選択ダイオード型の場合、ダイオードＤを読み出し用スイッチング素子として利用する。すなわち、ダイオードＤの整流性を利用し、非選択のＭＴＪ素子は逆バイアスとなるようにビット線ＢＬ及びワード線ＷＬのバイアスを制御し、選択したＭＴＪ素子１０にのみ読み出し電流Ｉｒが流れるようにする。
【０１０９】
［１１−３］クロスポイント型
図１９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す。以下に、クロスポイント型におけるセル構造について説明する。
【０１１０】
図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスポイント型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬとを含んで構成されている。ここで、ＭＴＪ素子１０は弱いフェロ結合した強磁性層１５ａ，１５ｃからなる記録層１５を備え、磁化容易軸はワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの延在方向に対して斜めを向いている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。
【０１１１】
具体的には、ＭＴＪ素子１０は、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬの交点付近に配置され、ＭＴＪ素子１０の一端はワード線ＷＬに接続され、ＭＴＪ素子１０の他端はビット線ＢＬに接続されている。
【０１１２】
上記のようなクロスポイント型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、アンチパラレルスウィッチングが行われる。一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線ＢＬ及びワード線ＷＬに読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出す。
【０１１３】
［１２］アストロイド曲線
図２０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るアストロイド曲線の具体例を示す。
【０１１４】
本発明者らが最も興味のあるパラメータの範囲において、そのアストロイド曲線は、図２０（ｂ）に示すようになる。すなわち、実際の書き込みポイントは、Ｈｘ≒Ｈｅｘｆｒ、Ｈｙ≒｛（Ｈｋ１＋Ｈｋ２）×α｝／２となる。ここで、αの単位はｒａｄｉａｎである。αを０．１７ｒａｄｉａｎ（１０度）、Ｈｋ１、Ｈｋ２をそれぞれ１００［Ｏｅ］、２５０［Ｏｅ］、Ｈｅｘｆｒを２５［Ｏｅ］に設定すると、書き込みポイントは、Ｈｘ≒２５［Ｏｅ］、Ｈｙ≒３０［Ｏｅ］となり、書き込み電流値はそれぞれ４ｍＡ以下とできる。
【０１１５】
Ｈｘ方向の書き込みマージンは３２５［Ｏｅ］と非常に広い。Ｈｙ≒｛（Ｈｋ１＋Ｈｋ２）×α｝を超えると書き込みが不安定となるため、Ｈｙ方向の実際の書き込みマージンは３０［Ｏｅ］となり、十分設計可能な範囲である。
【０１１６】
［１３］効果
本発明の一実施形態によれば、ＭＴＪ素子１０は弱いフェロ結合した強磁性層１５ａ，１５ｃからなる記録層１５を用いて、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸を第１及び第２の書き込み配線Ｗ１，Ｗ２の延在方向（ｘ軸方向，ｙ軸方向）に対して斜めにし、印加磁界に対して強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化が互いに反対方向に回転して磁化反転するアンチパラレルスウィッチング書き込みを行う。このため、磁化反転過程において、強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化がアンチパラレル状態となり（図３（ｃ）参照）、２つの強磁性層１５ａ，１５ｃの磁化が打ち消し合うので、静磁エネルギーが増大しない。このため、書き換えに際するＭＴＪ素子１０の反転磁界を大幅に低減することができるため、書き込み電流値を低減できる。
【０１１７】
従来は、ＭＴＪ素子１０の短辺長を１４０ｎｍ程度に微細化すると反転磁界が極度に大きくなり、実用的な書き込み電流値（電流密度換算で１０７Ａ／ｃｍ２）以下にすることができなかったのに対し、本発明の一実施形態によれば、ＭＴＪ素子１０の短辺長を数１０ｎｍまで大幅に縮小しても実用的な書き込み電流値の範囲で、磁気ランダムアクセスメモリの高集積化が実現できる。
【０１１８】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのセルの基本構成の概略的な一部平面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのセルの基本構成の概略的な一部断面図。
【図３】図３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法を示す図。
【図４】本発明の一実施形態に係るアンチパラレルスウィッチングのメカニズムを説明するための図。
【図５】図５（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る書き込み方法例１〜３を示す図。
【図６】本発明の一実施形態に係る記録層におけるフェロ結合した２つの強磁性層の異方性磁界を異ならせる手段の例を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の角度θを説明するための図。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の第１の角度例による効果を説明するための図。
【図９】図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の第２の角度例による効果を説明するための図。
【図１０】図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の第３の角度例を説明するための図。
【図１１】図１１（ａ）乃至（ｄ）は、図１２の第３の角度例における書き込み動作時の印加磁界と角度の関係を示す図。
【図１２】図１２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜め配置の手段を示す図。
【図１３】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の記録層の積層例を示す図。
【図１４】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の磁化固定層の積層例を示す図。
【図１５】図１５（ａ）乃至（ｉ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の平面形状の例を示す図。
【図１６】図１６（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の断面形状の例を示す図。
【図１７】図１７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す図。
【図１８】図１８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す図。
【図１９】図１９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す図。
【図２０】図２０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るアステロイド曲線の具体例を示す図。
【図２１】本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法の位置付けを示す図。
【符号の説明】
【０１２０】
１…半導体基板、２…ゲート電極、３ａ…ドレイン拡散層、３ｂ…ソース拡散層、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…コンタクト、５ａ，５ｂ，５ｄ…配線、５ｃ…ベース金属層、１０…ＭＴＪ素子、１１…シード電極層、１２…磁化固着層、１３…磁化固定層、１３ａ，１３ｃ，１５ａ，１５ｃ，１５ｅ，１５ｇ…強磁性層、１３ｂ，１５ｂ，１５ｄ，１５ｆ…非磁性層、１４…トンネルバリア層、１５…記録層、１６…キャップ層、Ｗ１…第１の書き込み配線、Ｗ２…第２の書き込み配線、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＷＷＬ…書き込みワード線、ＲＷＬ…読み出しワード線、Ｔｒ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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